LA HOUILLE BLANCHE / No 1/2-1974 Étude du frottement en Loire maritime par J..L. Mauvais et J.·C. Salomon Laboratoire d'Océanographie Physique Faculté des Sciences de Brest Laboratoire d'Océanographie Physique Faculté des Sciences de Brest Centre Océanologique de Bretagne Introduction F= Depuis quelques années les progrès de l'analyse numérique (liés aux performances des ordinateurs) ont été très importants et l'intérêt des modèles mathématiques n'est plus à démontrer. Un des paramètres les plus importants de l'équation dynamique régissant la propagation de la marée dans un estuaire est le frottement. Or, les progrès accomplis dans la détermination de ce paramètre sont loin d'être comparables aux progrès de l'analyse numérique. C'est pour cette raison qu'il nous a paru utile d'étudier le frottement. ou -1- ot li ou -1- g OX P oh P OX F u force de frottement par unité de masse; vitesse; g p accélération de la pesanteur; masse volumique de l'eau; p h masse volumique moyenne sur une verticale; cote de la surface rapportée à un plan horizontal; z distance au fond, comptée positivement suivant la verticale ascendante; temps. Cette étude s'est faite en Loire-Maritime dans deux directions : Des enregistrements continus de la vitesse ont été réalisés en cinq points d'une verticale (z = 0,24 m; 0,45 m; 0,79 m; 1,80 m et 2,34 m) étude locale du frottement par mesure du gradient de vitesse au-dessus du fond; corrélation avec la granulométrie du sédiment; étude du frottement sur une grande partie de l'estuaire par résolution numérique des équations de propagation de la marée. hauteur d'eau moyenne . . . . . . . . . . . . .. 9 m environ vitesse maximale 1,2 ml s environ Neuf cycles de marée ont été observés par des coefficients et des débits fluviaux différents, ce qui nous a permis d'étudier le frottement en fonction des deux variables t et z. Étude ponctuelle du frottement Recherche d'une loi de frottement Les courbes (F, u) ne s'interprètent pas facilement, elles ont le plus souvent l'aspect d'ellipses qui se ,resserrent au voisinage du fond. Ces courbes expérimentales ont été approximées par des fonctions de la forme L'équation du mouvement permet, à partir de mesures ponctuelles de la vitesse, des hauteurs d'eau et des densités, de calculer le terme de frottement. La zone étudiée est située aux environs de Paimbœuf. L'écoulement est unidimensionnel. Supposant une influence faible du gradient horizontal de densité, l'équation du mouvement peut s'écrire [3] : 149 Article published by SHF and available at http://www.shf-lhb.org or http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1974015 a les coefficients a, (3, y, étant déterminés par moindres carrés, et les résultats testés suivant les écarts entre valeurs théoriques et expérimentales. Il apparaît que les dérivées de la vitesse ont une influence faible et difficile à expliciter avec les mesures disponibles. L'importance de la hauteur est très notable mais irrégulière, et il n'est pas possible de déterminer une valeur précise du coefficient (3. Une fonction de plusieurs variables se révélant trop difficile à cerner avec les mesures disponibles, il nous semble préférable d'approcher la loi de frottement par une fonction simple de la vitesse. On constate que, dans les endroits sableux, cette corrélation est voisine de 0,9, alors que, dans les zones vaseuses, elle n'est plus que de 0,7, voire même 0,6. En zone sableuse, la corrélation croît avec la hauteur à laquelle on mesure la vitesse : faible corrélation sur le fond (0,5 à 0,6) et très bonne corrélation au point de mesure le plus haut (0,95). En zone vaseuse, les corrélations sont faibles : de l'ordre de 0,2 à 0,3 à z = 0,24 m, puis 0,7 à z = I,SO m, mais seulement 0,6 à 2,34 m. Deux expressions sont particulièrement intéressantes F = - (a) (KI +K 2 Interprétation des valeurs moyennes sur une marée u) u FOND SABLEUX F = - K u" (b) On observe une variation de la fonction cherchée suivant z. Les termes du premier et second degré (a) ont une importance relative variable suivant la cote. Le terme du second degré, prépondérant près de la surface, diminue vers le fond, à l'inverse du terme de degré 1 qui devient le plus important. Par fort débit fluvial, le rapport K 2 / KI augmente, et même en profondeur, reste supérieur à l'unité. La loi (b) rend compte du même phénomène. L'exposant de la vitesse croît depuis des valeurs assez dispersées mais voisines de 1, dans les plus basses couches, jusqu'à a = 2 environ, dans la veine principale (fig. 1). Le coefficient K suit une variation inverse. L'épaisseur de rugosité décrit de mamere satisfaisante la fraction grossière (D so) des sédiments sableux. Une mesure, réalisée sur la roche, conduit à: Zn = S,4 cm et semble fixer une limite asymptotiquc à la courbe présentée figure 2. II semble que la ·différence entre les épaisseurs de rugosité, déterminées pour une même granulométrie de 0,2 mm, soit due à l'aspect du fond plus ridé à un poste de mesure qu'au second [2]. Le peu de points appalraissant sur la figure 2, ne doit pas faire oublier que chacun résulte de la moyenne de 750 valeurs expérimentales couvrant 12 h 25 mm. Par ailleurs, l'utilisation d'une colonne solidaire du fond, et mesurant simultanément la vitesse à des niveaux bien définis, conduit à des valeurs précises. De sorte que les résultats obtenus semblent dignes de foi. Relations entre frottement et granulométrie des matériaux constituant le fond FOND VASEUX Les mesures réalisées SUT fond de vase ne donnent aucunccorrélation entre l'épaisseur de rugosité (de 7 à 15 cm) et la granulométrie. Ce résultat s'explique, sans doute, par les turbidités élevées qui règnent à proximité du fond, et diminuent la valeur de la constante de Karman. Le fait se répercute dans nosca1culs par une augmcntatian apparente de Zn. La force de frottement qui s'exerce au sein du liquide s'accompagne, sur le fond, d'une tension dont l'étude du profil des vitesses peut rendre compte. On a vérifié [3] que, dans la région étudiée, les courants avaient une structure verticale proche d'une fonction logarithmique. En conclusion de cette premIere étape de l'étude du frottemcnt en Loire-Maritime, entreprise à partir de mesures de la vitesse, nous dirons que: + y* L o g Z - -Zn - 11=- K Y'" = "\/-c/p Zo Une fonction quadratique de la vitesse est la fonction simple décrivant le mieux le phénomène dans la veine princi pale du courant. Sur le fond, une puissance voisine de l'unité est préférable, et à toute cote, une valeur intermédiaire croissant depuis le fond vers la surface. La constante de proportionnalité augmente près du fond (fig. 3). vitesse de frottement; tension de frottement; 7 K constante de Karman; Zo épaisseur de rugosité. Parallèlement à l'étude de la force de frottement, nous avons envisagé les variations des paramètres y* et Zo en observant quatre cycles marégraphiques sur fond sableux, trois sur fond vaseux et un sur fond rocheux. Corrélations entre u, v* et Par ailleurs, il existe une relation entre l'épaisseur de rugosité moyenne déterminée sur un cycle de marée, et la granulométrie du sédiment lorsque celui-ci est du sable. Sur fond ,de vase, il n'y a plus de relation apparente. Encore faudrait-il séparer l'influence de la variation de la constante de Karman, ,de la variation réelle de zoo L'épaisseur de rugosité varie, au cours du temps, de manière importante et difficile à interpréter. Le coefficient de régression multiple entre Il, Y'" et Zn est plus imp~r:ant sur fond sableux que sur fond vaseux. Le coeffiCient croît avec la hauteur, mais, dans le cas d'un sédiment vaseux, on observe un maximum intermédiaire. 20 Afin de connaître dans quelle mesure y* et Zo caractérisent l'écoulement, nous avons calculé le coefficient de régression multiple entre la vitesse, la vitesse étoilée et l'épaisseur de rugosité : u = f (V* zo) 150 J.-L. MAUVAIS et J.-C. SALOMON Étude du frottement par résolution numérique de l'équation de propagation de la marée GranlJtométrie fraction grossière BO-I. Une autre démarche dans l'étude du frottement consiste à envisager le phénomène sous son aspect «moyen », à l'échelle d'une section de l'écoulement, après résolution de l'équation du mouvement. La détermination du frottement, par résolution numérique des équations de propagation de la marée dans un estuaire, nécessite la connaissance des hauteurs et des débits dans tout le Heuve. Les hauteurs sont déterminées par interpolation parabolique entre trois ou quatre marégraphes. Les débits sont calculés par la méthode des cubatures [1]. Le calcul d'un cycle de marée toutes les dix minutes et tous les 250 m s'effectue pour tout l'estuaire (entre Paimbœuf et Thouaré) en moins de dix minutes sur CIl 10070. Il est donc facile d'obtenir d'utiles renseignements (débit, stock oscillant...) sur le fleuve, par différents ·coefficients de marée et différents régimes (étiage, crue...). La méthode des cubatures nous a permis de calculer le frottement moyen sur des profils distants de 250 m pour une période de quinze jours en régime de crue. Le régime de crue a été étudié de 'préférence à un régime normal à la demande du Port Autonome de Nantes. Au vu des résultats, nous avons regretté ce choix : en effet, il semble exister une assez grande différence entre les 09 ~ 0:: F( gronu'tomt'tri: du sédiment) oa 07 06 Mesure complémentoire réalisée sur de te roche 0.5 O.' + 0.3 + 02 + 0.1 .a 2/ '0 ]0 en cm Variation de l'épaisseur de rugosité en fonction de la granulométrie du sédiment. Zm Zm __ K o Forl dlibil r1uvi o l ____ o Faible débit fluvial 0( d 1 1 o Fort débit ~!uvia·l f o Faible débit Fluvial /1 /1 !! / 1 ! 11 1 1 1 1 / / ! ! jJ / / / / / / / ! ! ! / / ! / 1 1 / / / 1 1 1 1 1 1 1 1 1 / 1 1 / t 1 1 c/ / o /-<5 0' o 0 _<_~~ o ".~._'o_~__ ~ -19~{mks.) KM °01------------~1Cl--:o'-----------2~.10.:.-:-' ~ o 1/ o m 3/ Structure verticale des paramètres de la loi de frottement: F = KU'" 151 Variation de la constante de proportionnalité suivant la cote. ' coefficients de frottement en flot et en jusant. Or, en période de crue, nous avions beaucoup plus de mesure en jusant qu'en flot. Nous n'avons étudié le frottement qu'entre Paimbœuf et Nantes. En effet, en aval de Paimbœuf, l'écoulement n'est plus unidimensionnel et la méthode des cubatures ne peut donc s'appliquer; en amont de Nantes, les renseignements concernant la topographie sont nettement insuffisants (et périmés). Nous nous sommes cependant servis des documents disponibles pour calculer les volumes d'eau emmagasinés dans la partie supérieure du fleuve (calcul entaché d'une certaine imprécision, ce qui n'est pas très grave étant donné les débits calculés), mais il ne nous était pas possible d'entreprendre, à partir de ces résultats, une étude du frottement. Nous devons donc revenir au schéma classique : frottement a Va HP = En moyenne, pour l'ensemble du fleuve: V2 F = K - - pour V> 0,3 m/s HO,5 V < 0,3 mis et F = K - pour V H Ces moyennes subissent d'assez grandes variations le long du fleuve. Nous ne nous attacherons pas aux variations de ~. Elles sont, à première vue, assez déconcertantes et peuvent être en partie dues à la schématisation du fleuve. a varie de 2,6 à 1,4. a = 2,6 lorsqu'il existe des épis sur les berges du fleuve et a = 1,4 lorsque les berges sont très régulières et que le lit du fleuve est composé de vase. a varie également avec la hauteur moyenne sur la section : Validité des mesures Le frottement a des valeurs très faibles (de 10- 3 à 10- 6 unités M.K.S.). Une erreur d'interpolation, sur la hauteur d'eau, de 1 cm sur 250 m peut donc avoir une influence non négligeable. De même, une erreur sur la pente du fond. Il est bien évident que l'on ne peut prétendre schématiser le fleuve avec une précision de l'ordre du centimètre. Il faut donc compenser ces lacunes par un traitement statistique portant sur un grand nombre de données (156 sections entre Paimbœuf et Nantes - une mesure toutes les dix minutes sur une durée de quinze jours). De plus, les lois de frottement ne sont pas testées sur l'ensemble du fleuve, mais sur chaque section. On peut ainsi espérer que les défauts de schématisation seront extrêmement réduits. a = 2,1 pour Hmo)'en = 2,5 et a = 1,3 pour Hmoyen ° = 1 m On remarque également que a ne varie pas brutalement en fonction de la vitesse. La figure 5 représente, pour une section et pour un cycle de marée, l'es variations du frottement en fonction de la vitesse. On voit ainsi a varier de 0,5 à 1 puis 2 ... On retrouve une loi semblable à celle de la résistance de l'air. Par contre, en un autre lieu (fig. 6), il semble que, pour tout le cycle de marée, le frottement soit proportionnel au carré de la vitesse. Le terme le plus important intervenant dans le frottement est, de loin, la vitesse. Mais il semble que la relation liant ces deux paramètres ne puisse s'exprimer par une fonction simple. NOTE. - On peut remarquer que si, pour l'ensemble du fleuve, on calcule la somme : Justification de l'étude entreprise m· La figure 4 représente, pour une section de la Loire, l'influence relative de différents paramètres intervenant dans l'équation dynamique. On voit immédiatement que le frottement est, de loin, le paramètre le plus important. e2 HO,,, on obtient un e 2 nettement plus important que celui obtenu avec une loi de frottement de la forme F= aV a) Pour chaque profil, nous avons essayé de déterminer une loi de la forme : oV = f ( V, H'?Ji ' -I- bV2 HO,5 Mais les coefficients aet b varient beaucoup d'une sec· tion à l'autre et peuvent difficilement s'interpréter. oV ox ' oH ot ' OH*) OX De même pour une loi de frottement du type : aV (loi établie par moindres carrés) F= V : vitesse; H : hauteur d'eau; t : temps; x : abscisse; H* : LJ i=l Résultats frottement '" ( F -'- K V2. )2 \., = -1- b V2 -1- CV3 HO,5 Pourtant, à l'avenir, pour une meilleure détermination du frottement, il sera peut·être souhaitable d'utiliser des lois de ce type. hauteur par rapport à un fond horizontal. Au premier abord, l'influence des dérivées est assez difficile à chiffrer. Mais on s'aperçoit que, dans tous les cas, à vitesse égale, le frottement est plus important lorsque la vitesse décroît que lorsque la vitesse croît (facteur multiplicatif variant de 1,3 à 1,5). La hauteur, à elle seule, ne peut expliquer cela. Il faut donc admettre une influence de l'accélération, mais nous n'avons pu la chiffrer. b) Si l'on suppose que, pour l'ensemble du fleuve, la loi moyenne de frottement est, pour les vitesses supérieures à 30 cm/s, de la forme: KV2 F =HO,:; -- 152 J.-L. MAUVAIS et J.-C. SALOMON on peut calculer, par moindres carrés, pour toutes les sections, les coefficients K et rechercher s'il existe des corrélations entre ces coefficients K et différentes caractéristiques locales du fleuve. Ces caractéristiques locales sont les suivantes : abscisse le long du fleuve: x ; hauteur moyenne à chaque section H (moyenne sur 15 jours); vitesse moyenne à chaque section : V (moyenne sur 15 jours) ; variations de largeur du fleuve en fonction de l'abscisse: oL/ox; granulométrie locale des sédiments composant le lit du fleuve; irrégularités de largeur du fleuve: ET (L). Le paramètre oL/ox est calculé à partir de valeurs lissées. Il ne tient donc compte que de l'allure générale du fleuve (variations de largeur sur 500 ou 1 000 m). Par contre, le paramètre utilisé ici ne décrit que les irrégularités locales, donc de plus petite taille, qui viennent sesuperposer aux précédentes (nous avons utilisé l'écart type des largeurs calculé sur 250 m avec un pas de 20 m) : rig (, 10 11 12 H~f"'e:I 4/ Variation des principaux termes intervenant dans l'équation de propagation durant un cycle de marée. irrégularités de profondeur du fIeuve : ET (H) pour tenir compte de l'existence possible de dunes. Nous avons utilisé l'écart type des profondeurs calculé sur -cinq sections séparées par une distance de 50 m de part et d'autre de la section moyenne (pas de calcul : 20 m) ; le rayon de courbure du fIeuve. Si l'on calcule les coefficients de corrélation simple entre le frottement et chacun de ces paramètres, on trouve des corrélations très faibles. Par contre, le coefficient de corrélation multiple est de 0,9. Le rayon de courbure, la hauteur moyenne et la granulométrie ne semblent pas significatifs. Les autres paramètres le sont. Pour la granulométrie, nous devons toutefois faire une remarque. Pour entreprendre une étude statistique valable, il nous aurait fallu plusieurs granulométries par section, ce qui représentait évidemment un énorme travail. Nous avons donc dû nous contenter de granulomètries récentes ayant été effectuées pour d'autres études. Il est bien évident que l'échantillonnage n'était pas idéal (nous ne possédions des granulométries que pour une quarantaine de sections, très souvent une seule granulométrie par section. Quand nous en avions plusieurs (2 ou 3) elles pouvaient d'ailleurs être très di ff érentes). Il n'est donc pas étonnant que les résultats obtenus n'aient pas été significatifs. /=K.UOS ,".~~ 0.2 +b l Log L +b 2 ET (H) Log ~ r ET (L) +b-\ Log x ,- b" Log --L- avec b o = -7,762 b 1 =-0,176 b2 = - 0,089 bs = -0,049 -1- O.. 0.5 Um/s 1.0 F m~-l 6.10"' On peut exprimer les coefficients de proportionnalité par une loi du type: Log K = bo 0.3 + bs Log oL ox bG Log V 2:Kl-' b'l = -0,09 b" = -0,032 10-' b G = -1,681 , 0.2 5-6/ On voit que la vitesse a, dans la détermination des coef153 1 1 1 , , 0.3 0.5 1.0 Um/s Variation du frottement en fonction de la vitesse durant un cycle de marée. ficients de proportionnalité des lois de frottement, une influence non négligeable. Si l'on élimine la vitesse, le coefficient de corrélation multiple est de 0,7. Cette influence de la vitesse est une preuve supplémentaire qu'une loi de type F = K V2 ne traduit qu'imparfaitement la réalité. et du coefficient de marée. Le long du fleuve les coefficients (f. varient de 2,6 à 1,4. Le frottement apparaît donc comme un paramètre extrêment difficile à déterminer. C'est évidemment très gênant car une bonne connaissance du frottement permettrait d'affiner les modèles mathématiques et leur ouvrirait de nouvelles possibilités. Conclusion Bibliographie L'étude du frottement, entreprise de deux manières différentes, conduit à des résultats voisins: [1] MAUVAIS (J.L.). - Calcul des vItesses moyennes ll1stalll<lneeS en Loire-Maritime. Cahiers Océanographiques, p. 251-266 (mars 1971). le frottement ne semble pas pouvoir s'exprimer par une fonction simple de la vitesse et de la hauteur; au cours d'un cycle de marée la courbe F = f (V) semble décrire une sorte d'ellipse; les coefficients (f. des lois du type F = K Va varient localement en fonction de la hauteur au-dessus du fond [2] MAUVAIS (J.L.) et SALOMON (J.c.). - Liaisons entre paramètres hydrauliques et sédimentologiques dans l'estuaire de la Loire. Aunales Hydrographiques (1973) (à paraître). [3] SALOMON (.LC.). « Contribution à l'étude de la structure verticale des courants de marée en Loire maritime ». Thèse 3" cycle, Faculté des Sciences, Brest Uanvier 1972). Discussion Prbident : M. J. LARRAS Je suis tout à fait d'accord avec ce que vient d'exposer M. le Président, dit M. BIESEL; j'ajouterais seulement que l'importance de la détermination précise des paramètres de calcul dépendra souvent de l'objectif final poursuivi. Dans certains cas, il pourra être suffisant de représenter convenablement seulement un amortissement global; par contre, dans d'autres problèmes, il pourra être nécessaire de suivre l'évolution détaillée en un certain nombre de points précis. L'étude de MM. MAUVAIS ct SALOMON prendra alors tout son intérêt. Avant d'ouvrir la discussion, M. le Président commente ainsi l'exposé de MM. MAUVAIS et SALOMON: Je voudrais rassurer les conférenciers qui ont fait une sorte de constat d'échec et je ne mets, dans cette expression, aucune part malveillante. Ils ont dit : «Nous sommes à peu près dans l'impossibilité d'expliquer nos constatations; en particulier, il est troublant qu'on ne puisse pas relier, faute d'ailleurs de données suffisantes, le coefficient de frottement à la nature du fond ». En somme, le but que vous poursuiviez éta;t essentiellement d'obtenir un calcul de la marée qui soit satisfaisant en toutes circonstances. Je considère donc comme une réussite que vous ayez pu arriver à trouver un terme complémentaire (vous voyez que j'emploi à dessein un terme assez vague) qui fait concorder raisonnablement le calcul avec les observations. Ce terme engloble de nombreux éléments qui varient d'une section, d'une hauteur, d'une vitesse, ou d'une courbure à une autre. Vous avez fait allusion à certaines mesures qui ont été faites, pour mon compte sur la Loire, par le prédécesseur de M. MAQUET. On est arrivé à ce résultat, assez déroutant, que les mesures de courant à la perche, qui devaient donner, en principe, des valeurs moyennes, donnaient, en fait, des vitesses supérieures à la moyenne des vitesses mesurées au moulinet. On peut donc se trouver obligé d'introduire dans les calculs des termes correctifs : l'essentiel est qu'ils donnent de bons résultats. Vous avez justement découvert les termes qui, dans le cas particulier de la Loire, et non pas dans n'importe quel estuaire (vous auriez évidemment souhaité oue ce soit une loi générale), permettent désormais de résoudre tous les problèmes de marée à l'intérieur dudit estuaire, et surtout de prévoir ce qui se passera lorsqu'on modifiera certaines caractéristiques de l'estuaire. C'est à mon avis, extrêmement utile ct très intéressant et, à ce titre, il faut vous remercier et vous féliciter pour ce travail. Peut-être allez-vous vous trouver, sur ce point, en contradiction avec M. BIESEL qui est un spécialiste de ces questions et que nous avons le plaisir d'avoir parmi nous : il pourra nous donner l'opinion de quelqu'un d'infiniment plus compétent que moi-même en ces matières de recherches et de calculs. J'ai simplement voulu donner, non pas le point de vue du Président, mais le point de vue d'un ingénieur qui a eu à s'occuper de l'estuaire de la Loire autrefois et qui trouve eliltrêmement intéressant les résultats que vous avez pu obtenir. M. MAUVAIS donne les indications suivantes sur les raisons qui ont conduit à mener l'étude qu'il a présenté en collaboration avec M. SALOMON : Le Port Autonome de Nantes se préoccupe de connaître l'influence d'un endiguement de vasières qui se trouvent entre Donges et Saint-Nazaire. Si l'on veut tenter de déterminer, au moyen d'un modèle mathématique, l'influence de cet endIguement du point de vue hydraulique il faut disposer d'un modèle très sensible, donc très soigné; c'est ce qui nous a conduit à cette éude. Nous avons aetuellenwnt trois modèles mathématiques un modèle à cieux dimensions en aval de Saint-Nazaire, où l'on essaie de ne rien négliger (même la force de Coriolis y intervient);" un modèle à deux dimensions qui comprend la zone des vaS.leres jusqu'à Paimbœuf; et un modèle à une dimension de Paimbœuf à l'amont de Nantes. Actuellement, nous avons quelques difficultés avec les modèles à deux dimensions, mais le modèle à une dimension marche parfaitement et nous retrouvons, entre Paimbœuf et Nantes, les courbes de ~arées de 1969. Dcpuis, les courbes cIe marée ont considérab1ement varié; M. MAQUET en a donné la raison hier : .d'une part, beaucoup de sable a été dragué en amont de Nant~s, et, dautre part, le chenal a été approfondi du côté de SaInt-NaZaIre. M. le Président clôt la discussion et informe l'u,sistance de l'obligation dans laquc11e M. ORGERON et ses collaborateurs du Laboratoire Central d'Hydraulique de France se sont trouvés -- en raison d'une surcharge de travail - de renoncer à la présentation de la dernière communication figurant à l'ordre du jour de la présente séance. 11 lève ensuite la séance, à 17 h 45, en remerciant à nouveau toutes les personnes qui ont contribué à présenter ct à discuter le sujet fort complexe qui en faisait l'objet. 154